CN110478031B - 用于包括位置传感器的导管的校准夹具 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“用于包括位置传感器的导管的校准夹具”。本发明公开了一种设备，该设备包括校准固定件、校准位置传感器和接口电路。校准固定件的尺寸和形状被设定成适配在医疗探头的远侧端部上，使得远侧端部与校准固定件的壁物理接触。校准位置传感器被固定在校准固定件中相对于壁的已知位置处，并且被配置为响应于感测到磁场而产生指示校准位置传感器的给定位置的位置信号。接口电路电联接到校准位置传感器，并被配置为输出位置信号。

Description

用于包括位置传感器的导管的校准夹具
技术领域
本发明总体涉及医疗装置，并且具体地涉及用于校准包括位置传感器的导管的方法和系统。
背景技术
位置传感器尤其用于跟踪患者体内的医疗装置。用于校准和应用此类装置和传感器的各种技术在本领域中是已知的。
例如，美国专利申请公布2015/0247944描述了一种用于平坦定位垫的校准夹具。夹具包括检测器组件、定位单元和接口电路。检测器组件包括多个磁场检测器的阵列。定位单元被配置为将检测器组件固定在相对于定位垫的一个或多个已知位置处。接口电路被配置为输出电信号，该电信号在检测器组件被固定在已知位置处时由检测器组件的磁场检测器产生，以便对由定位系统执行的位置测量结果进行校准。
美国专利申请公布2001/0027271描述了一种用于在立体定向手术期间使用引导固定件定位外科器械的方法和设备。引导固定件包括上部部分并且包括支撑上部部分的可调节基部，该上部部分包括用于使外科器械相对于上部部分沿着约束轨迹移动的器械引导件，该可调节基部包括安装基部和调节机构。
发明内容
本文所述的本发明的实施方案提供一种设备，该设备包括校准固定件、校准位置传感器和接口电路。校准固定件的尺寸和形状被设定成适配在医疗探头的远侧端部上，使得远侧端部与校准固定件的壁物理接触。校准位置传感器被固定在校准固定件中相对于壁的已知位置处，并且被配置为响应于感测到磁场而产生指示校准位置传感器的给定位置的位置信号。接口电路电联接到校准位置传感器，并被配置为输出位置信号。
在一些实施方案中，该设备包括处理器，该处理器被配置为：(i)接收指示附接到医疗探头的探头位置传感器的测量位置的电信号，(ii)接收由校准位置传感器产生的位置信号，以及(iii)基于电信号和位置信号来估计探头位置传感器与远侧端部的尖端之间的距离。在其他实施方案中，该设备包括附加校准位置传感器，该附加校准位置传感器被固定在校准固定件中相对于校准位置传感器的预定位置处，并且被配置为响应于感测到磁场而产生指示附加校准位置传感器的附加位置的附加位置信号。处理器被进一步配置为基于预定位置、位置信号和附加位置信号产生用于估计距离的缩放因子。
在一个实施方案中，该设备包括校准器具，该校准器具被固定到校准固定件并且被配置为产生磁场。在另一个实施方案中，校准器具包括被配置为产生磁场的多个亥姆霍兹线圈。在又一个实施方案中，接口电路被配置为无线地或经由联接到接口电路的电缆传输位置信号。
根据本发明的实施方案，附加地提供用于生产校准设备的方法，该方法包括生产校准固定件，该校准固定件的尺寸和形状被设定成适配在医疗探头的远侧端部上，使得远侧端部与校准固定件的壁物理接触。校准位置传感器被固定在校准固定件中相对于壁的已知位置处，该校准位置传感器用于响应于感测到磁场而产生指示校准位置传感器的给定位置的位置信号。用于输出位置信号的接口电路电联接到校准位置传感器。
结合附图，通过以下对本发明的实施方案的详细描述，将更全面地理解本发明，其中：
附图说明
图1是根据本发明的实施方案的导管插入系统的示意性图解；以及
图2是根据本发明的实施方案的校准器具的示意性图解。
具体实施方式
概述
微创医疗装置(诸如心脏导管)可包括在给定方位处与其联接的至少一个位置传感器。例如，由于生产过程中的不精确性，位置传感器相对于导管远侧尖端的实际方位甚至可在相同类型的多个导管之间不同。位置传感器在导管上的方位的误差可导致导管远侧端部的位置的估计误差。
原则上，可通过将导管放置在位于亥姆霍兹腔室内部的夹具中来实行导管的校准。在通常通过在预先校准的测试导管上施加已知的磁场并测量由测试导管产生的输出电压来校准导管之前，夹具必须与腔室配准。在生产中，与夹具相关的任何变化通常需要在夹具和腔室之间重新配准，这是耗时的并且增加了生产成本。需要重新配准的事件包括例如夹具在腔室内的移动，以及将夹具替换为适用于不同类型导管的不同类型。
下文描述的本发明的实施方案提供改进技术，该改进技术用于通过精确地评估位置传感器和导管的远侧尖端之间的距离来校准包括该位置传感器的导管。校准使得能够精确跟踪导管远侧端部。
在一些实施方案中，校准夹具包括固定件，该固定件的尺寸和形状被设定成适配在导管的远侧端部上。固定件具有开口，该开口延伸到固定件本体中的孔，使得导管的远侧端部通过开口插入并与位于固定件本体中的孔的端部处的壁物理接触。
在一些实施方案中，夹具包括一个或多个校准位置传感器。考虑第一校准位置传感器，其被固定在固定件中距壁已知距离处。在一些实施方案中，将夹具固定在校准腔室中，该校准腔室包括三对亥姆霍兹线圈或任何其他类型的合适线圈。每对线圈以彼此平行预定距离定位，并且该对线圈彼此正交定位。在该配置中，通过将合适的电流施加通过线圈，线圈被配置为在线圈内形成的预定内容积中产生磁场。
在一些实施方案中，首先，校准位置传感器被配置为响应于感测到磁场而产生指示校准位置传感器的给定位置的位置信号。在一些实施方案中，校准夹具还包括接口电路，该接口电路电联接到校准位置传感器，并且被配置为将位置信号输出到例如校准腔室的控制操纵台的处理器。
在一些实施方案中，在校准期间，远侧端部通过开口插入并与壁物理接触，而导管的近侧端部电联接到控制操纵台，以用于向操纵台发送位置信号。随后，如上所述，激活校准腔室以产生磁场。
响应于感测到磁场，导管的位置传感器和夹具的校准位置传感器产生指示导管位置传感器和校准位置传感器的相应位置的位置信号。
在一些实施方案中，操纵台的处理器基于位置信号来估计导管位置传感器和校准位置传感器之间的总距离。处理器从估计的总距离中减去已知距离(即，校准位置传感器和壁之间的距离)，以便计算导管位置传感器和与壁物理接触的远侧端部的尖端之间的距离。处理器将该计算的距离存储在嵌入导管中的存储器装置中，例如作为导管校准文件中的变量。
在其他实施方案中，夹具包括固定在距第一校准位置传感器已知距离处的第二校准位置传感器。第二校准位置传感器被配置为响应于感测到上述磁场而产生指示第二校准位置传感器的位置的位置信号。在这些实施方案中，基于第一校准位置传感器和第二校准位置传感器的位置以及它们之间的已知距离，处理器被配置为产生缩放因子，该缩放因子将在第一校准位置传感器和第二校准位置传感器之间形成的磁场的场梯度转换为距离值(例如以毫米为单位)。处理器可使用缩放因子来提高估计导管位置传感器与远侧端部的尖端之间的距离的精确性。
所公开的技术提高了位置跟踪系统的精确性，并且可通过预校准与位置跟踪系统结合使用的每个导管来减少医疗程序的周期时间。此外，所公开的技术减少了在夹具和腔室之间重新配准的需要，从而提高了生产效率并降低了生产此类医疗装置的成本。
系统说明
图1是根据本发明的实施方案的导管插入系统20的示意性图解。系统20包括探头，在本示例中为心脏导管22和控制操纵台24。在本文所述的实施方案中，导管22可用于任何合适的治疗和/或诊断目的，诸如用于诊断心脏功能障碍(例如心律失常)的电心脏信号的标测。
操纵台24包括处理器34(通常是通用计算机)，该处理器34具有合适的前端和接口电路，以从导管22接收信号并控制本文所述的系统20的其他部件。处理器34可以软件形式进行编程，以实行由系统所使用的功能，并且该处理器将用于软件的数据存储在存储器38中。例如，软件可通过网络以电子形式被下载到操纵台24，或其可提供在非临时性有形介质诸如光学、磁性或电子存储器介质上。另选地，可通过专用或可编程数字硬件部件来执行处理器34的功能中的一些或全部。
操作者30(诸如介入性心脏病专家)将导管22插入穿过躺在手术台29上的患者28的血管系统。导管22包括插入管和示于插图23中的包括一个或多个位置传感器50的远侧端部组件40。操作者30通过利用靠近导管的近侧端部的操纵器32操纵导管22而使导管22的组件40在心脏26中的目标区域附近移动，如插图21所示。导管22的近侧端部连接到处理器34中的接口电路。
在一些实施方案中，系统20包括磁位置跟踪系统。通常使用磁位置跟踪系统的一个或多个磁位置传感器来测量远侧端部组件40在心腔中的位置。在图1的示例中，操纵台24包括驱动电路39，该驱动电路39驱动被放置在躺在手术台29上的患者28体外的已知位置处(例如，患者的躯干下方)的磁场发生器36。
现在参见插图23。远侧端部组件40通常包括一个或多个位置传感器50和与其联接的其他装置，诸如标测电极(未示出)。当使远侧端部组件与心脏26的内表面接触时，标测电极响应于所感测到的电势来生成电势梯度信号，并且位置传感器50响应于所感测到的外部磁场来生成位置信号，从而使得处理器34能够标测随着心腔内的位置变化而变化的电势。
组件40中的多个位置传感器和标测电极连接到导管近侧端部处的处理器34中的接口电路。操作者30可观察组件40在用户显示器31上的心脏26的图像33中的位置。
该位置感测方法在磁位置跟踪系统中实施，例如在由加利福尼亚州尔湾的Biosense Webster公司(Biosense Webster Inc.(Irvine,Calif.))生产的CARTOTM系统中实施，并且详细地描述于美国专利5,391,199、6,690,963、6,484,118、6,239,724、6,618,612和6,332,089、PCT专利公布WO 96/05768，以及美国专利申请公布2002/0065455 A1、2003/0120150 A1和2004/0068178 A1中，这些专利的公开内容全部以引用方式并入本文。
在一些实施方案中，处理器34保留指示位置传感器50与远侧端部组件40的尖端55之间的距离的值。基于从传感器50接收的位置信号和距离值，处理器34被配置为估计尖端55在心脏40中的位置。
仅以举例的方式描绘图1中所示的具体配置。在另选的实施方案中，系统20可与任何其他合适的部件和模块一起操作。例如，位置传感器50可包括具有三个线圈的三轴传感器(TAS)，或另选地可包括具有单个线圈的单轴传感器(SAS)。位置传感器可通过将线圈设置在联接到导管22的柔性基板上，或通过将包括线圈的装置安装在远侧端部组件40上，或使用任何其他合适的配置和生产技术来形成。
校准导管位置传感器和远侧尖端之间的距离。
图2是根据本发明的实施方案的校准器具46的示意性图解。在一些实施方案中，器具46被配置为输出指示位置传感器50和尖端55之间的距离的值。
在图1的示例中，该值存储在导管22的存储器装置中，例如存储在嵌入导管22中的存储器装置中和导管制造商的中央数据库中。在一个实施方案中，存储器装置存储在导管插入程序期间应用的附加校准参数，以便提高跟踪尖端55在心脏40中的位置的精确性。需注意，由于制造精确性有限，位置传感器与尖端之间的距离可在相同类型的导管之间变化。因此，应该例如使用校准夹具单独地获得针对每个导管的该距离，并且在导管插入程序之前使用该距离用于校准系统20。
在一些实施方案中，器具46包括校准腔室48和包括处理器(未示出)的控制操纵台44。腔室48包括三对亥姆霍兹线圈，其中所述对彼此正交地布置。每对线圈包括两个基本上类似的由绝缘实心线制成的圆形线圈62，该圆形线圈62以彼此平行预定距离放置并与公共轴线对准。圆形线圈62承载在相同方向上流动的基本上类似的相应电流。每对线圈被配置为在两个线圈之间的容积内产生跨相应轴的磁场。电流是可调节的(例如，通过控制施加到线圈62的电压或电流)，并且感应磁场的量值与施加的电流成比例。
在一些实施方案中，通过同时向所有六个线圈62施加类似的电流，腔室48被配置为产生跨立方体64的磁场，该立方体64安装在线圈62之间。在一些实施方案中，立方体64由非磁性材料(诸如玻璃)制成，或包括开放式框架，并且充当腔室48的校准容积。
在校准期间，传感器50的灵敏度通过施加已知磁场(例如0.1高斯)并且响应于所施加的磁场，测量从传感器50输出的电压(例如5伏)来确定。伏/高斯比率确定传感器50的灵敏度，在本文中也称为“转换因子”。需注意，电压是磁场的线性函数，使得施加的磁场增加10％将引起传感器50输出的电压升高10％。传感器50的转换因子也存储在导管22的存储器装置中。
在一些实施方案中，器具46包括校准固定件，在本文中称为校准夹具66，该校准夹具66在校准程序期间被固定在立方体64中，以便估计位置传感器50与尖端55之间的距离，如下文将详细描述的。
现在参见插图58，其是校准夹具66的示意性图解。在一些实施方案中，校准夹具66的尺寸和形状被设定成适配在导管22的远侧端部40上。在示例性实施方案中，夹具66包括固定件52，该固定件52由诸如聚碳酸酯的非磁性材料制成并且具有开口，该开口作为孔54延伸到固定件52的本体中。
在本示例中，如插图58所描绘的，孔54的尺寸和形状被设定成适配在导管22的远侧端部40上，使得远侧端部40的尖端55与孔54的壁70物理接触。需注意，孔54的直径通常略大于远侧端部40的直径，以便允许远侧端部40在孔内的最小限度的运动。
在一些实施方案中，校准夹具66包括一个或多个校准位置传感器77和88(在本文中称为“校准传感器”或出于简化的目的简称为“传感器”)。在一个实施方案中，传感器77和88是被配置为在以上图1中描述的磁位置跟踪系统中操作的磁位置传感器。
需注意，也类似地针对传感器77和88实行如上所述的测量传感器50的灵敏度的过程，使得针对传感器77和88测量的电压/高斯比率确定传感器77和88的相应的灵敏度。
在一个实施方案中，传感器77和88被固定在固定件52中相对于壁70的已知位置处。在图2的示例中，校准位置传感器77以距壁70给定距离74被固定，并且传感器88被固定在相对于传感器77的已知位置处。
在一个实施方案中，位置传感器77和88被配置为响应于感测到由线圈62施加的磁场而产生指示其相应位置的位置信号。
在一些实施方案中，校准夹具66还包括接口电路60，该接口电路60经由相应的引线56电联接到校准位置传感器77和88。电路60被配置为将由传感器77和88产生并经由电缆68路由的位置信号输出(例如，传输)到操纵台44。在其他实施方案中，电路60可包括被配置为将传感器77和88的位置信号无线地传输到操纵台44的无线通信装置(未示出)。
需注意，被固定在相对于传感器77的已知位置处的传感器88可帮助估计传感器50与尖端55之间的距离，但对于器具46中的校准夹具66的操作不是必需的。发明人发现，基于传感器77和88之间的已知距离，操纵台44的处理器可导出缩放因子，该缩放因子可用于将这些传感器之间的磁场的场梯度转换为以毫米为单位的距离。
在下面将描述的实施方案中，校准夹具66包括单个校准位置传感器(例如传感器77)，但是这些实施方案也适用于应用传感器77和88的配置。
在一些实施方案中，操作者或机器人臂(均未示出)将导管22的远侧端部组件40插入孔54中，使得组件40与壁70物理接触。如图2所示，导管22的近侧端部连接到操纵台44。随后，操作者将电流施加到线圈62，以便在立方体64中产生期望的磁场。响应于磁场，位置传感器50和校准位置传感器77分别产生指示它们相应位置的位置信号和校准位置信号，并通过导管22和电缆68分别将这些信号发送到操纵台44。
在一些实施方案中，基于这些信号，操纵台44的处理器被配置为估计传感器50和77之间的距离。处理器被进一步配置为通过从传感器50和77之间的距离(其为距离72和距离74的和)中减去给定距离74来计算传感器50和尖端55之间的距离72。如上所述，尖端55应与壁70物理接触，以便精确地测量传感器50和尖端77之间的距离72。
在一些实施方案中，校准夹具66包括传感器77和88。发明人发现，通过使用上述缩放因子，可以提高的精确性估计传感器50与尖端55之间的距离。
在图2的示例性实施方案中，沿一个轴线测量传感器50与尖端55之间的距离，因此，距离72的值是标量。在其他配置中，可应用上述技术来提供例如位置传感器与二维(2D)形装置中所选择的方位之间的距离的2D估计(例如，矢量)。
校准夹具66的这种特定配置以举例的方式示出，以便说明本发明的实施方案所解决的某些问题，并且展现这些实施方案在增强此类位置跟踪系统的性能中的应用。然而，本发明的实施方案决不限于这种具体类别的示例系统，并且本文所述的原理可类似地应用于本领域中已知的其他类别的导管插入和位置跟踪系统。
例如，传感器77和/或88，或其他位置传感器(未示出)可以任何合适的配置被固定在固定件52中。此外，校准夹具66的尺寸和形状被设定成适配在组件40上。在其他示例中，夹具的配置可以是不同的，以便能够校准包括一个或多个位置传感器并具有不同配置的医疗装置。此外，上述原理可应用于使用器具46和校准夹具66的合适配置来校准其他类型的位置传感器(例如，不同于基于磁的位置传感器)。
尽管本文所述的实施方案主要涉及包括位置传感器的微创医疗装置，但是本文所述的方法和系统还可用于其他应用中，诸如用于图像引导手术(例如，鼻窦成形术)、使传感器嵌入植入物中的植入程序，以及各种内窥镜检查程序(诸如喉镜检查)。
因此应当理解，上面描述的实施方案以举例的方式被引用，并且本发明不限于上文特定示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上文描述的各种特征的组合和子组合以及它们的变型和修改，本领域的技术人员在阅读上述描述时将会想到所述变型和修改，并且所述变型和修改并未在现有技术中公开。以引用方式并入本专利申请的文献被视为本申请的整体部分，不同的是如果这些并入的文献中限定的任何术语与本说明书中明确或隐含地给出的定义相冲突，则应仅考虑本说明书中的定义。

Claims (10)

1.一种校准设备，包括：
校准固定件，所述校准固定件的尺寸和形状被设定成适配在医疗探头的远侧端部上，使得所述远侧端部与所述校准固定件的壁物理接触；
校准位置传感器，所述校准位置传感器被固定在所述校准固定件中相对于所述壁的已知位置处，并且被配置为响应于感测到磁场而产生指示所述校准位置传感器的给定位置的位置信号；和
接口电路，所述接口电路电联接到所述校准位置传感器，并且被配置为输出所述位置信号；和
处理器，所述处理器被配置为：(i)接收指示附接到所述医疗探头的探头位置传感器的测量位置的电信号，(ii)接收由所述校准位置传感器产生的所述位置信号，以及(iii)基于所述电信号和所述位置信号来估计所述探头位置传感器与所述远侧端部的尖端之间的距离。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括附加校准位置传感器，所述附加校准位置传感器被固定在所述校准固定件中相对于所述校准位置传感器的预定位置处，并且被配置为响应于感测到所述磁场而产生指示所述附加校准位置传感器的附加位置的附加位置信号，其中所述处理器被配置为基于所述预定位置、所述位置信号和所述附加位置信号产生用于估计所述距离的缩放因子。
3.根据权利要求1所述的设备，还包括校准器具，所述校准器具被固定到所述校准固定件并且被配置为产生所述磁场。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述校准器具包括被配置为产生所述磁场的多个亥姆霍兹线圈。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述接口电路被配置为无线地或经由联接到所述接口电路的电缆传输所述位置信号。
6.一种用于生产校准设备的方法，所述方法包括：
生产校准固定件，所述校准固定件的尺寸和形状被设定成适配在医疗探头的远侧端部上，使得所述远侧端部与所述校准固定件的壁物理接触；
将校准位置传感器固定在所述校准固定件中相对于所述壁的已知位置处，所述校准位置传感器用于响应于感测到磁场而产生指示所述校准位置传感器的给定位置的位置信号；
将用于输出所述位置信号的接口电路电联接到所述校准位置传感器；以及
将处理器联接到所述接口电路，所述处理器用于：(i)接收指示附接到所述医疗探头的探头位置传感器的测量位置的电信号，(ii)接收由所述校准位置传感器产生的所述位置信号，以及(iii)基于所述电信号和所述位置信号来估计所述探头位置传感器与所述远侧端部的尖端之间的距离。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括将附加校准位置传感器固定在所述校准固定件中相对于所述校准位置传感器的预定位置处，所述附加校准位置传感器用于响应于感测到所述磁场而产生指示所述附加校准位置传感器的附加位置的附加位置信号，使得所述处理器基于(i)所述预定位置、(ii)所述位置信号和(iii)所述附加位置信号产生用于估计所述距离的缩放因子。
8.根据权利要求6所述的方法，还包括将所述校准固定件固定到产生所述磁场的校准器具。
9.根据权利要求6所述的方法，还包括将用于传输所述位置信号的电缆和无线通信装置中的至少一个联接到所述接口电路。
10.一种用于校准的方法，包括：
经由处理器接收指示校准位置传感器的给定位置的位置信号，所述校准位置传感器被固定在校准固定件中相对于所述校准固定件的壁的已知位置处，其中所述校准固定件的尺寸和形状被设定成适配在医疗探头的远侧端部上，使得所述远侧端部与所述校准固定件的所述壁物理接触；
经由所述处理器接收指示附接到所述医疗探头的探头位置传感器的测量位置的电信号，其中所述远侧端部的尖端与所述壁物理接触；以及
经由所述处理器基于所述电信号和所述位置信号来估计所述探头位置传感器与所述远侧端部的所述尖端之间的距离。
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